VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA STAVEBNÍ Programový systém ANSYS Materiál pro interní potřebu FAST Jiří Brožovský Kancelář: LP H406/3 Telefon: 597 321 321 E-mail: jiri.brozovsky@vsb.cz http://www.fast.vsb.cz/brozovsky
Doporučená studijní literatura http://www.ansys.com http://fast10.vsb.cz/studijni-materialy/metoda-kp/ Kolář, V., Kratochvíl, J., Leitner, F., Ženíšek, A. Výpočet plošných a prostorových konstrukcí metodou konečných prvků, SNTL, Praha, 1979 Kolář V., Němec I., Kanický V. FEM Principy a praxe metody konečných prvků, Computer Press, Praha, 1997 Dický, J., Mistríková, Z., Sumec, J.: Pružnost a plasticita v stavebníctve 2, STU, Bratislava, 2005 Ravinger, J., Psotný, M.: Analýza konštrukcií, Nelineárne úlohy, STU, Bratislava, 2006 2
Zahraniční návody a zdroje http://www.ansys.com http://www.xansys.org http://www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/ http://www.csa.ru/csa/cads/docs/ansys/tut2/ http://courses.cit.cornell.edu/ansys/ http://www.google.com ;-) 3
Programový systém ANSYS (1) obecný konečně-prvkový systém (žádné normy aj.) program i dokumentace jen v angličtině velký počet konečných prvků pro různé úlohy možno přímo pracovat s typy a sítěmi konečných prvků kontaktní úlohy statika, dynamika, vedení tepla,... lineární i nelineární úlohy vlastní příkazový jazyk (možno psát makra, pomocné programy) 4
Programový systém ANSYS (2) Licence sít ový licenční server na CIT VŠB-TU (nexus.spc.vsb.cz) sít ový licenční server na FAST VŠB-TU licence Academic Teaching (25x) jen studenti (Bc., Ing.) licence Academic Research (5x) pro neziskový výzkum, Ph.D. studium licence Mechanical (1x) komerční Verze programu Verze 11... Teaching Verze 12... Research Starší verze nejsou licenčními servery podporovány! 5
Programový systém ANSYS (3) Spuštění programu Start Programy ANSYS... ANSYS Product Launcher Simulation Environent: ANSYS License: ANSYS Teaching Advanced (nebo ANSYS Research) Working Directory: C:/kde/to/chci (ANSYS si tam bude odkládat soubory) Jobname: omyl1 (ANSYS bude pojmenovávat soubory omyl1.něco) Po nastavení stačí stisknout tlačítko Run 6
Programový systém ANSYS (4) Důležitá jména souborů Jobname.db: soubor s vytvořeným modelem Jobname.dbb: záložní soubor s vytvořeným modelem (předposlední uložení) Jobname.res: soubor s výsledky (mechanika) Jobname.rth: soubor s výsledky (termální výpočty) Jobname.s: zatěžovací stav (lze až Jobname.s99) Jobname.mac: soubor s příkazy ( makro ) Jobname.log: soubor s popisem průběhu práce Pro přenesení modelu stačí Jobname.db (a Jobname.sXX). 7
Programový systém ANSYS (5) Práce se soubory ANSYS při startu nic nenačítá načtení existujího souboru (Jobname.db): Menu File Resume from jobname.db Tlačítko RESUM DB příkaz resume uložení do souboru (Jobname.db): Menu File Save Tlačítko SAVE DB příkaz save Připomínám, že ANSYS nemá funkci Zpět... 8
Programový systém ANSYS (5) nápověda: help,něco používat výhradně desetinnou tečku dialogová okna nakonec spouští příkaz příkazy: n 5.3,6.3,7.7 (oddělovač parametrů je čárka... ) vynechané hodnoty se doplní nulou (je-li parametrem reálné číslo) nebo nejbližší větší volnou hodnotou (je-li parametrem index nebo pořadové číslo) parametry příkazů i vstupní pole v dialozích akceptují matematické výrazy (jazyk FORTRAN):5 2=25,1+3 2/3=3 apod. 9
Programový systém ANSYS (6) Doporučené typy konečných prvků: Úloha Název Číslo rovinná příhradovina LINK1 1 prostorová příhradovina LINK8 8 rovinný rám BEAM3 3 prostorový rám BEAM4 3 rovinný problém PLANE42 42 deska SHELL63, SHELL93 63, 93 deska na Winklerově podkladu SHELL63 63 tělesa SOLID45 45 Pro vstupní parametry prvku, přípustné typy analýz a dostupné výsledky: help,číslo 10
Postup tvorby modelu 1. Vlastnosti modelu (a) Typy konečných prvků (Element type) (b) Konstanty pro konečné prvky (Real constats) (c) Vlastnosti materiálu (Materials) 2. Geometrie: linie, plochy, objemy 3. Sít konečných prvků (a) Přiřazení vlastností geometrickým objektům (b) Velikost konečných prvků (Element division) (c) Vytvoření sítě 4. Zatížení a okrajové podmínky 11
Geometrie modelu Objekty: 1. Body (keypoints) 2. Linie(lines) 3. Plochy(areas) 4. Objemy(volumes) Vlastnosti: 1. Body linie plochy objemy 2. Každý vyšší objekt je vždy tvořen pomocí nižších, bez ohledu na způsob, jakým byl vytvořen. Tyto objekty nesouvisí s konečnými prvky, ty se musí s jejich pomocí vytvořit. 12
Tvorba sítě konečných prvků Typy sítě: 1. Pravidelná (mapped): Vyžaduje pravidelné geometrické útvary (čtyřúhelník, šestistěn) Kvalitnější sít konečných prvků (vliv na výsledky) 2. Nestrukturovaná (free): Libovolný tvar geometrické oblasti Obvykle nutnost více konečných prvků Často nevhodné (degradované) tvary konečných prvků 13
Okrajové podmínky (1) 1. Podepření Podpora proti posunutí (předepsané posunutí) Podpora proti pootočení (předepsané pootočení) 2. Zatížení Síla v uzlu Spojité zatížení na prvku (liniové, plošné) Spojité zatížení na nosníkovém prvku (spojité) Zrychlení (např. tíhové zrychlení) 14
Okrajové podmínky (2) Možno zadat: V uzlu nebo na konečném prvku lze zadat pro více směrů současně (smaže se při smazání příslušného uzlu nebo prvku) Na geometrický objekt (bod, linie,...) nelze zadat pro více směrů současně, vhodnější pro parametrické modelování 15
Příkazy ANSYS (1): Základy Příkazový jazyk APDL s podmínkami, cykly, proměnnými, funkcemi,... Lze ovládat všechny funkce ANSYSu Většina dialogových oken ve skutečnosti jen sestaví příkazy k provedení Možnost psaní maker (*.mac) Syntaxe matematických výrazů podobná FORTRANu 16
Příkazy ANSYS (2): některé objekty Objekt Písmenko Příklady klíčový bod k k 1,1,2 kdel,p klist linie l l,1,2 l,p ldel,all plocha a a,1,2,3,4 a,p adel,p objem v v,p vdel,all vlist uzel konečného prvku n n 0,0,7.7 nlist ndel,all konečný prvek e e,1,7 e,p edel,all podpora v uzlu d d,p dlist ddel,p síla v uzlu f f,p flist fdel,p 17
Příkazy ANSYS (2): některé operace Operace Zkratka Příklady vytvoření k 1,1,2 l,1,2 a,1,2,3,4 vytvoření myší,p l,p a,p v,p e,p d,p smazání del ldel,3 ldel,p ldel,all vypsání (listing) list alist nlist elist vykreslení plot aplot nplot eplot gplot Operace spuštění preprocesoru spuštění řešiče provedení výpočtu spuštění postprocesoru uložení dat načtení dat Příkaz /prep7 /solu solve /post1 save resu 18
Příkazy ANSYS (3): ukázka příkazů /prep7! preprocesor et,1,1! typ konecneho prvku: LINK1 r,1,0.! plocha prvku (real constant) mp,ex,1,27e9! modul pruznosti n,1! uzel 1 [0,0,0] n,2,1! uzel 2 [1,0,0] n,3,1,1! uzel 3 [1,1,0] n,4,2! uzel 4 [2,0,0] e,1,2! prvek 1 s uzly 1,2 e,1,3! prvek 2 s uzly 1,3 e,2,3! prvek 3 s uzly 2,3 e,4,2! prvek 4 s uzly 4,2 e,4,3! prvek 5 s uzly 4,3 d,1,ux! podpora v uzlu 1 ve smeru X d,1,uy! podpora v uzlu 1 ve smeru Y d,4,uy! podpora v uzlu 4 ve smeru Y f,3,fy,-10e3! sila v uzlu 3 svisle dolu /solu! resic solve! zahajeni vypoctu /post1! posprocessor etable,nx,smisc,1! priprava normalovych sil plls,nx,nx! vykresleni normalovych sil 19
Příkazy ANSYS (4): výsledek 20
Rovinný problém Řešíme plošné konstrukce zatížené a uložené v jejich střednicové rovině. Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost rovinná deformace 21
Rovinná napjatost y σ y τ xy σ x Obsahuje složky napětí ležící pouze v rovině (x y): σ= {σ x, σ y, τ xy } T (1) z x Stěna se může volně deformovat ve směru osy z, složka deformace ε z je proto nenulová: ε={ε x, ε y, ε z, γ xy } T (2) 22
Měrné stěnové síly x N x = σ x h [ N m ] N y = σ y h [ N m ] N xy = τ xy h [ N m ] h y z n y σ y τ yx n xy τ0 1 xy σ x 00 00 00 11 11 00 11 n 00 11 yx 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 n x 23
Rovinná deformace 1 Obsahuje složky deformace ležící pouze v rovině (x y): ε={ε x, ε y, γ xy } T (3) Konstrukce se nemůže volně deformovat ve směru osy z, a proto v ní existuje nenulové napětí σ z : σ= {σ x, σ y, σ z, τ xy } T (4) 24
Rovinný problém ANSYS Obvykle konečný prvek PLANE42 Typ problému Options: KEYOPT3 = 3 (r. napjatost... plane stress with thickness) KEYOPT3 = 1 (r. deformace... plane strain) U rovinné napjatosti je třeba zadat tloušt ku Stěna nemá rotace, lze zadávat jen podpory proti posunutí ve směrech X a Y 25
Výsledky na koneč. prvcích (1) Systém ANSYS neposkytuje vnitřní síly na deskách automaticky, jejich výpočet je potřebné nastavit. Jde o veličiny počítané na prvcích: Element Table Items Obvykle 1 hodnota dané veličiny pro 1 konečný prvek (např. u nosníků může být i více) 26
Výsledky na koneč. prvcích (2) help,42 (zjištění čísel veličin v nápovědě tabulka s SMISC ) etable,nx,smisc,1 (jméno nx bude popisovat měrnou normálovou sílu ve směru X) etable,ny,smisc,2 (jméno ny bude popisovat měrnou normálovou ve smisc X ) etable,nxy,smisc,3 (jméno nxy bude popisovat smykovou sílu) pletab,nx (vykreslení síly n x ) Pozor! Uvedené hodnoty SMISC (1, 2, 3) platí jen pro tento konkrétní typ konečného prvku (PLANE42). 27
Tenké desky Kirchhoffova teorie body ve střednicové rovině se mohou přemist ovat pouze ve směru osy z normály střednicové roviny zůstávají i po deformaci přímé a kolmé k této rovině posunutí a pootočení : w, ϕ x, ϕ y [m] měrné momenty: m x, m y (ohybové), m xy (krouticí) [ N m m ], [N] měrné posouvající síly: q x, q y [ N m ] ANSYS: SHELL63 (pozor, neplatí vždy pro tlusté prvky ANSYS bez varování používá Mindlinovu teorii tlustých desek) 28
Vnitřní síly na desce x τ xy τ xz τ yz y τ yx z σ y σ x m x m xy q x m yx m y q y 29
Mindlinova teorie ohybu desek Mindlin předpokládal, že normály střednicové roviny zůstanou po deformaci přímé, avšak nemusí být kolmé k této rovině. ANSYS: SHELL93 Kirchhoff Mindlin 30
Výsledky na koneč. prvcích (1) Systém ANSYS neposkytuje vnitřní síly na deskách automaticky, jejich výpočet je potřebné nastavit. Jde o veličiny počítané na prvcích: Element Table Items Obvykle 1 hodnota dané veličiny pro 1 konečný prvek (např. u nosníků může být i více) 31
Výsledky na koneč. prvcích (2) help,63 (zjištění čísel veličin v nápovědě tabulka s SMISC ) etable,mx,smisc,4 (jméno mx bude popisovat moment m x ) etable,mx,smisc,5 (jméno my bude pro moment m y ) etable,mx,smisc,6 (jméno mxy bude pro moment m xy ) pletab,mx (vykreslení momentu m x ) Pozor! Uvedené hodnoty SMISC (1, 2, 3) platí jen pro tento konkrétní typ konečného prvku (SHELL63). 32
Hlavní a dimenzační momenty m 1,2 = 1 [ (m x + m y ) ± (m x + m+y) 2 +4 m 2 xy 2 α 1 = 1 2 arctg 2 m xy m x m y ] m xy,max = ± 1 2 (m 1 m 2 ) m x,dim = m x + sgn(m x ) m xy m y,dim = m y + sgn(m y ) m xy 33
Veličiny pro dimenzování (1) Normové vzorce převážně pro dimenzování prutů Desku je možné dimeznovat jako prut při použití dimenzačních momentů Dále popsaný postup je třeba provést pro oba směry (x a y) pro příslušný moment v daném směru 34
Veličiny pro dimenzování (2) Postup: 1. Řez A-A y A 2. Vykreslení m dim v řezu A-A 3. Po částech konstantní náhrada m dim x 4. Dimenzujeme na M i = a i m i Doporučení: polohu řezu A-A zvolíme z rozložení výsledků ve 2D zobrazení náhrada m i : průměr v poli a i nebo o m i A m x,dim něco vyšší A A provést několik řezů po délce desky ai 35
Skořepiny Prvky SHELL63 nebo SHELL93 jsou ve skutečnosti implementovány jako skořepiny 6 neznámých parametrů: u x, u y, u z, ϕ x, ϕ y, ϕ z pootočení v rovině skořepiny ϕ z v teorii pružnosti chybí a je nějak doplněno může působit výpočetní obtíže (platí pro prakticky všechny MKP systémy) x τ yz y τ yx z m yx m y σ y x σ x m x τ xy m xy τ xz q x h y n y τ xy z τ yx 00 n xy 0 σ 0 n x 1 1 00 00 11 11 11 00 11 00 11 yx 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 σ y n x q y 36